1. 서 론

전기를 동력으로 사용하는 친환경 기술들의 발전으로 인해 전력 반도체 수요가 증가하고 있다. 전기 자동차, 태양광 시스템과 같은 친환경 기술들은 고장 시 인명피해 및 재산 피해를 유발할 수 있으므로 시스템 안정성 및 전력 반도체 신뢰성을 높이는 것이 중요하다. 전력 반도체는 전력 변환 시스템에 필수적인 요소로 제어 방법이나 여러 작동 조건에 따라 다양한 영향을 받게 된다. 반도체 소자는 비영구적인 장치로 노화될수록 시스템의 성능 저하를 유발할 수 있다. 전력 반도체 노화에 따른 변수 및 성능 변화를 분석하기 위해 많은 연구들이 진행되어 왔다. 최근에는 전력 반도체인 고주파 및 저손실 특성을 가지는 Silicon-carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (SiC-MOSFET)의 사용이 증가하고 있다 ⁽¹⁾-⁽²⁾. SiC-MOSFET의 경우 동작 시 캐리어의 높은 운동에너지 및 소자 열화 현상 발생으로 인해 게이트 산화층 및 소자 패키지에 노화 발생할 수 있고 이는 소자 스위치 특성에 영향을 준다 ⁽³⁾-⁽⁵⁾. 지속적으로 스트레스가 쌓일 경우 게이트 산화층 절연 파괴 혹은 패키지 손상으로 인해 게이트 드레인 단락 고장 혹은 게이트 소스 단락 고장 등이 발생하여 전체적인 전력변환 시스템에 영향을 줄 수 있다. 본 논문에서는 SiC-MOSFET 노화 특성을 분석하기 위해 고전계 노화 가속 실험, 더블 펄스 테스트 그리고 시뮬레이션을 통한 컨버터 효율 및 손실 변화를 분석하였다. 일반적으로 전력 반도체의 노화를 확인하기 위해서는 많은 시간이 소요되므로 전력 반도체 노화 가속 실험이 많이 사용된다. 본 논문에서는 노화 가속을 위해 전력 반도체 소자 게이트에 고전압을 인가하는 고전계 노화 가속 실험을 진행하여 스위칭 소자의 노화를 가속하였다 ⁽⁶⁾-⁽⁹⁾. 이후 노화에 따른 스위칭 소자 특성 변화를 분석하였다. 노화에 의해 문턱전압 혹은 온 저항과 같은 스위칭 특성이 바뀔 경우, 소자 스위치 천이 시간에 영향을 주어 데드 타임에 영향을 줄 수 있다. 이는, 슛-스루 현상 및 손실 증가를 일으킬 수 있어 시스템 효율 저하를 유발할 수 있다 ⁽⁸⁾. 스위칭 소자 노화가 전력 변환 시스템에 끼치는 영향을 알아보기 위해, 소자 노화에 따른 시스템의 손실 및 효율 변화를 분석하였다. 손실 변화를 분석하기 위해 더블 펄스 테스트를 진행하였고 소자 노화에 따른 턴 온 손실, 턴 오프 손실, 역 회복 손실, 트랜지스터 전도 손실 그리고 다이오드 전도 손실을 측정하였다 ⁽¹⁰⁾-⁽¹¹⁾. 추가로 손실뿐만 아니라 턴 온 및 턴 오프 시 스위치 천이 시간 변화, 기생 오실레이션과 같은 스위칭 특성의 변화 또한 분석하였다. 기생 오실레이션은 빠른 속도로 스위칭 하는 Wide-Band Gap(WBG) 소자에서 주로 발생하는 현상이다 ⁽¹²⁾-⁽¹⁴⁾. 더블 펄스 테스트를 통해 측정한 손실 데이터를 소프트웨어 프로그램을 통해 모델링하였다. 이후, 해당 손실 모델 결과를 전력 변환 시스템에 적용하여 SiC-MOSFET이 사용된 양방향 DC-DC 컨버터에서 소자 노화 정도에 따른 총 손실 변화 및 효율 변화를 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

2. SiC-MOSFET 고전계 노화 가속 실험

SiC-MOSFET 노화에 따른 시스템 손실 및 효율 변화을 분석하기 위해 고전계 노화 가속 실험을 진행하였다. 고전계 노화 가속 실험은 소자의 게이트-소스 단에 정격 이상의 고전압을 인가하여 소자 게이트 산화층에 노화를 발생시키는 실험이다. 본 논문에서는 50V의 전압을 게이트-소스 단에 인가하였다. 노화 시료는 노화된 소자를 말한다. 실험은 상온(25˚C)에서 진행하였고 노화는 3600초 동안 진행하여 동일 시간 동안 노화 정도를 확인하였다. 실험에 사용된 SiC-MOSFET의 노화 전 특성 변수는 표 1과 같고 노화 이후 온 저항 및 문턱 전압 변화량은 표 2와 같다. 고전계 노화 이후 온 저항은 노화 시료(A)는 77mΩ, 노화 시료(B)는 83mΩ 증가하였다. 문턱 전압은 노화시료(A)는 5.33V, 노화시료(B)는 5.31V 증가하였다.

3. 더블 펄스 테스트

소자 노화에 따른 손실 스위칭 특성 변화를 분석하기 위해 더블 펄스 테스트를 진행하였다. 더블 펄스 테스트 회로 및 실제 실험 셋업는 아래 그림 2과 같다. 더블 펄스 테스트는 소자 성능을 파악하기 위해 자주 사용되는 테스트로 인덕터 성분과 전류 펄스의 길이를 조절하여 원하는 전류 값을 인가할 수 있다. 해당 더블 펄스 테스트 회로에서 펄스 신호를 인가하여 스위치 천이 시간에서 발생하는 손실인 턴 온 손실(Eon), 턴 오프 손실(Eoff) 그리고 역회복 손실(Err)을 측정하였다. 또한, 전류가 흐를 때 발생하는 트랜지스터 전도 손실과 다이오드 전도 손실을 측정하였다 ⁽¹⁰⁾. 턴 오프 손실은 그림 2(a) M1의 첫 번째 펄스 턴 오프 스위치 천이 구간에서 전압 상승 및 전류 하강할 때를 측정하였다. 첫번째 펄스가 오프된 이후 인덕터에 의해 M2의 다이오드로 전류 $i_{F}$가 흐르게 된다. 이후 두번째 펄스가 M1에 발생할 때 턴 온 스위칭 구간에서 턴 온 손실과 역회복 손실을 측정한다.

그림 3는 턴 온, 오프 시 전형적인 스위치 천이 구간에서의 드레인-소스 전압 전류 파형($V_{DS}$, $i_{DS}$)을 나타낸다. 스위치 천이 구간에서 발생하는 손실은 오실로스코프 구간 손실 측정 기능을 이용하여 측정하였고 이는 식(1), (2), (3)과 같다. 턴 오프 손실은 전류 하강 및 전압 상승 구간(T1 to T4)을 단위시간에 대해 적분하여 측정하였고, 턴 온 손실은 전류 상승 및 전압 하강 구간(T5 to T8)을 단위 시간에 대해 적분하여 측정하였다. 역회복 손실은 전류의 제로-크로싱 포인트에 대해 적분하여 측정하였다.

이후 턴 온 혹은 턴 오프 시 소자 드레인 측의 전압 상승 혹은 하강 시간을 측정하였는데, 전압 상승 시간은 $V_{DS}$가 10 %일 때부터 90%에 도달할 때까지의 시간을 측정하였고 전압 하강 시간은 $V_{DS}$가 90%에서 10%에 도달할 때까지의 시간을 측정하였다. 스위칭 소자의 빠른 스위칭 속도로 인해 스위칭 구간에서 기생 오실레이션이 발생하는데, 노화에 따른 기생 오실레이션 변화 추이 또한 확인하였다

그림 4 (a), (b)는 각각 노화 전후 더블 펄스 테스트를 통해 측정한 트랜지스터 전도 손실 측정 값을 나타낸다. 검은 점선은 Fresh 소자에 4.8A가 도통 될 때 손실 값을 나타낸다. 해당 검은 점선을 기준으로 노화된 소자에 4.8A가 흐를 때를 살펴보면, 손실 값이 그 보다 상승한 것을 알 수 있다. 그림 5(a), (b)는 각각 노화 전후 더블 펄스 테스트를 통해 측정한 다이오드 전도 손실 측정 값을 나타낸다. 검은 점선은 Fresh 소자에 2.8 A가 도통 될 때 손실 값을 나타낸다. 해당 검은 점선을 기준으로 노화된 소자에 2.8A가 흐를 때를 살펴보면, 손실 값이 그 보다 상승한 것을 알 수 있다. 그림 6는 고전계 노화 실험을 진행하였을 때 노화 시료의 턴 온 스위칭 구간 파형을 나타낸다. 고전계 노화 실험에 따라 노화 시료에는 파형이 다소 지연된 모습을 보인다. 노화 시료의 경우 표 1의 특성 결과를 통해 문턱 전압이 상승한 것을 알 수 있는데 이로 인해 소자의 턴 온 상승 시간이 지연되었다. 전압 하강 시간의 경우도 상당히 증가한 것으로 볼 수 있는데, 155 [ns]에서 200 [ns]로 45 [ns]만큼 상승하였다. 전압 하강 시간의 증가는 해당 구간에서의 턴 온 구간의 손실 증가로 이어져 컨버터의 효율에 영향을 줄 수 있다. 또한, 전압 하강 시간의 증가로 인해 전압 상승 변화율 dv/dt가 감소하여 턴 온 시간이 감소하므로 기생 오실레이션 성분이 감소하는 경향을 보인다. 더불어, 전류 오실레이션의 최대값도 11 A에서 9.9 A로 감소하였다.

그림 7는 고전계 노화 가속 실험를 진행하였을 때 노화 시료의 턴 오프 스위칭 구간 파형을 나타낸다. 턴 오프가 빨라지는 모습을 보이는데, 높아진 문턱전압으로 인해 전압이 상승하는 시점이 앞당겨졌고 전압 하강 시간 또한 감소하는 모습을 보인다. 전압 하강 시간은 56 [ns]에서 38 [ns]로 18 [ns] 감소하였고 해당 전압 하강 시간의 감소는 턴 오프 시 발생하는 에너지 손실의 감소로 이어진다. 노화 전 소자와 노화 시료의 턴 오프 손실을 비교하였을 때 36 [mJ]에서 22 [mJ]로 14 [mJ] 감소하는 모습을 보였다. 전압 상승 시간의 감소는 전압 상승 변화율 dv/dt의 증가로 이어진다. dv/dt이 증가할 경우 소자의 기생 오실레이션이 증가하게 된다. 노화 시료의 경우 해당 오실레이션이 상당히 증가한 것을 볼 수 있고 전압 오실레이션의 최대값도 148V에서 168V로 상승하였다. 해당 전압 오버 슈트는 다른 소자 및 시스템에 영향을 줄 수 있고 고전압으로 인해 소자의 노화가 가속될 수 있다. 더불어, 전류 하강 이후 1A의 추가적인 오실레이션 전류 성분도 볼 수 있다. 이는 추가적인 손실을 유발하고 데드 타임에 영향을 줄 수 있다. 과도한 전류에 의한 슛-스루 현상을 발생시킬 수 있으며 전력변환시스템에 심각한 소손을 유발할 수 있다.

그림 8는 전류 크기에 따른 트랜지스터 전도 손실과 다이오드 손실을 나타낸다. 노화 이후 노화시료 (A), 노화시료(B) 모두 전류 크기가 클수록 손실 증가가 더 크게 나타났다. 트랜지스터 전도 손실의 변화가 다이오드 전도 손실에 비해 더 두드러지게 나타났다. 그림 9는 전류 크기에 따른 턴 온 손실, 턴 오프 손실 그리고 역회복 손실을 나타낸다. 턴 온 손실의 경우 노화에 따라 전류 크기가 클수록 더 크게 변화한다. 턴 오프 손실의 노화에 따라 감소하는 경향을 보이며 전류 크기가 클수록 노화 전 소자와의 값의 차이가 더 크게 나타난다. 턴 온 손실과 턴 오프 손실은 서로 상반되는 증감 경향을 보인다. 소자의 노화가 진행될 경우 전류 크기가 클수록 전도 손실 및 턴 온 손실 값의 증가 폭이 커져 컨버터 효율 저하를 일으킬 가능성이 더 높다.

4. 결 과

위에서 진행한 더블 펄스 테스트 손실 측정 결과를 모델링하였고 해당 모델링 결과를 피심-시뮬레이션에 적용하여 전력 변환 시스템에서 SiC-MOSFET 노화에 따른 효율 변화를 분석하였다. 그림 10은 각각 피심 프로그램으로 구현한 양방향 DC-DC 컨버터에 해당 손실 모델을 적용한 도식표이다. 그림 11은 부스트 컨버터로 동작할 때, 인덕터 전류 파형 및 출력 전압 파형을 나타낸다. 컨버터의 입력 전압은 200 V이고 노화 전 소자와 노화 시료의 손실 모델링을 사용하였고 컨버터의 스위칭 소자 노화를 가정하여 노화 정도에 따른 효율을 측정 및 분석하였다. S1 소자가 노화된 경우(노화 컨버터 Ⅰ), S2 소자가 노화된 경우(노화 컨버터 Ⅱ) 그리고 S1, S2 모두 노화된 경우(노화 컨버터 Ⅲ) 총 3가지 노화 상태에 대해서 컨버터 노화 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에는 노화시료(A)의 손실 모델링을 사용하였고 부스트 컨버터로 동작할 때 손실 변화 및 효율 변화를 측정했다. 이전 스위치 상태와 현재 스위치 상태가 동일하지 않은 경우 손실 모델을 이용하여 턴 온 손실, 턴 오프 손실 그리고 역회복 손실을 측정하게 된다. S2 트랜지스터의 온 상태에 따라 트랜지스터 전도 손실 및 다이오드 전도손실을 측정한다. 이후 해당 손실의 총 합과 입력 파워를 이용하여 식(4)을 통해 효율을 계산하였다.

그림 12은 3가지 컨버터 노화 상태 및 소자 노화 정도에 따른 효율 변화 측정 결과를 나타낸다. 노화 전 컨버터를 기준으로 노화 컨버터 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ의 효율 변화를 측정하였고 전력 크기를 바꿔가며 측정하였다. 평균적으로 노화 컨버터(Ⅰ)는 0.22%, 노화 컨버터(Ⅱ)는 4.4% 그리고 노화 컨버터(Ⅲ)는 4.6% 감소하였다. 추가로, 전력 크기가 더 클수록 더 큰 효율 감소를 보이는데, 가장 노화된 컨버터 상태인 10kW 전력의 노화 컨버터(Ⅲ)에서 9.59%의 효율 감소를 보였다.

그림 13는 6kW일 때 컨버터 노화 상태 및 소자 노화 정도에 따른 손실 분포 그래프를 나타낸다. 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트 컨버터로 동작 시, S1 스위칭 소자에는 다이오드에 의한 손실만 발생한다. 노화의 따라 다이오드 손실 변화량은 크지 않으므로 노화 컨버터(Ⅰ)의 경우 더 낮은 효율 감소를 보였다. 반면, S2 소자의 경우에 전류가 드레인-소스로 흘러 트랜지스터 전도 손실이 발생하는데, 노화에 따른 큰 트랜지스터 전도 손실의 증가로 인해 노화 컨버터(Ⅱ)과 노화 컨버터(Ⅲ)에서 더 큰 손실 증가를 보였다. 노화 컨버터(Ⅰ)의 경우 다이오드 전도 손실이 12.41W 만큼 증가하였고 다른 손실에는 변화가 없다. 노화 컨버터(Ⅱ)의 경우 트랜지스터 전도 손실은 231.5W 증가하였고 턴 온 손실은 5.79W 증가하였다. 반면, 턴 오프 손실은 1.04 W 감소하였다. 노화 컨버터(Ⅲ)의 경우 트랜지스터 전도 손실, 다이오드 전도 손실, 턴 온 손실이 증가하였고 턴 오프 손실은 감소하는 경향을 보였다. 역회복 손실은 모든 경우에서 손실 값이 거의 변하지 않았다. 턴 온 손실과 턴 오프 손실의 서로 상반된 증감 특성으로 인해, 소자 노화 시 스위치 천이 구간에서 발생하는 손실에 합은 전도 손실의 변화에 비해 작게 나타난다. 노화 이후 트랜지스터 전도 손실이 차지하는 비중은 전체 손실의 74 ~ 77%으로 노화 전 컨버터에서의 트랜지스터 전도 손실 비중(36%)에 비해 상당히 증가했다.

5. 결 론

본 논문에서는 고전계 노화 가속 실험을 통해 SiC-MOSFET의 노화를 가속하였고, 소자 노화에 따른 특성 변화 및 전력 변환 시스템에서의 손실 및 효율 변화를 분석하였다. 스위치 특성 및 손실 변화는 더블 펄스 테스트를 통해 측정하였다. 고전계 노화 이후에는 높아진 문턱전압으로 인해 턴 온 시간은 지연되고 턴 오프 시간은 감소한다. 턴-온 특성의 변화는 스위칭 시 발생하는 손실에 영향을 주는데, 턴 온 손실은 증가하고 턴 오프 손실은 감소하는 경향을 보인다. 역회복 손실 값의 경우에는 큰 변화를 보이지 않았다. 트랜지스터 전도 손실과 다이오드 전도손실의 경우에는 전류 크기가 커질수록 노화 전 소자와의 손실 차이가 더 커졌다. SiC-MOSFET 노화 시 특성 변화로 인한 스위칭 구간의 증가, 감소는 소자 동작 시 발생하는 기생 오실레이션에도 영향을 주게 된다. 고전계 노화 이후 지연된 턴 온 시간으로 인해 전압 하강 시간이 더 증가하게 되어 기생 오실레이션 성분이 감소한다. 반면에 턴 오프 시 전압 상승 시간은 감소하므로 기생 오실레이션이 증가하는 것을 확인하였다. 해당 오실레이션 성분은 과전압, 과전류, 손실 증가 및 EMI 노이즈 증가를 유발할 수 있고 이는 전력 변환 시스템에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 더블 펄스 테스트로 측정한 손실 결과를 커브-피팅을 통하여 모델링하였고 이를 양방향 DC-DC 컨버터에 적용하였다. 그 결과, 가장 노화된 컨버터 상태인 노화 컨버터(Ⅲ)에서 9.59%의 효율 감소를 보였다. 손실 증감을 살펴보았을 때, 소자 노화에 따라 컨버터에서 발생하는 턴 온 손실과 전도 손실은 증가하였다. 반면, 턴 오프 손실이 감소하였고 역회복 손실은 거의 변하지 않았다. 특히, 스위칭 손실보다 전도 손실의 비율이 더 많이 증가하여 노화 시 전도 손실의 영향도가 가장 높아지는 것을 확인하였다.